科學(xué)背景
電能存儲技術(shù)對先進(jìn)電子和電氣系統(tǒng)至關(guān)重要，其中基于介電材料的靜電電容器憑借其超快充放電能力和穩(wěn)定性成為能量存儲的有力候選者。與傳統(tǒng)的化學(xué)電池相比，電介質(zhì)電容器在功率密度方面具有顯著優(yōu)勢，尤其適用于高頻、高功率密集型設(shè)備。然而，低擊穿強(qiáng)度和抑制極化導(dǎo)致的低能量密度仍然是實際應(yīng)用中的一個艱巨挑戰(zhàn)。此外，如何在高電場下實現(xiàn)高極化率與高擊穿強(qiáng)度的兼得，也一直是該領(lǐng)域面臨的核心挑戰(zhàn)。
創(chuàng)新成果
基于以上難題，南京航空航天大學(xué)李偉偉教授、楊浩教授與德國馬普所王紅光教授、清華大學(xué)南策文院士等人聯(lián)合在Science上發(fā)表了題為“Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design”的論文，提出了一種微觀結(jié)構(gòu)策略，利用自組裝的樹枝狀納米極化（DNP）結(jié)構(gòu)，并將其引入到寬禁帶絕緣材料中，同時提高了擊穿強(qiáng)度和高場極化率，最大限度地減少了能量損失，從而顯著提高了儲能性能和穩(wěn)定性。
同時，DNP結(jié)構(gòu)保留了極化區(qū)域的連接性，實現(xiàn)在高電場下的大極化率與低剩余極化的平衡，降低了能量損耗。
研究表明，基于DNP結(jié)構(gòu)設(shè)計的PbZr0.53Ti0.47O3-MgO薄膜在7.4 MV/cm的高電場下實現(xiàn)了215.8 J/cm3的高能量密度和80.7%的充放電效率。本研究為設(shè)計高性能微型電容器提供了新路徑，也對未來新型電介質(zhì)材料的開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。
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